高校視頻教學中的虛擬演播室關鍵技術

章 峰，金巧芳

（紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000）

0 引言

隨著信息技術的快速發展，高校的教學方法在不斷創新和改變。視頻教學成為高校教學的重要方式之一。然而，傳統的視頻教學方式存在很多局限性，無法滿足教師和學生的需求[1]。為了解決這個問題，研究者提出了通過虛擬演播室來改善高校視頻教學的方法。虛擬演播室是一種基于虛擬現實技術的教學環境，可以提供更加真實和交互性的教學體驗。通過虛擬現實技術，可以模擬真實的教學場景，學生能夠感受到身臨其境的教學體驗。同時，虛擬演播室還利用網絡傳輸技術實現高清流暢的視頻傳輸，確保教學內容的質量。

在傳統的視頻教學形式中，學生往往只能被動接受教學內容，缺乏互動性和深入理解[2]。虛擬演播室可以通過虛擬互動環境激發學生的學習興趣和主動性，提升學生的學習效果。通過虛擬互動環境，學生可以與教學內容進行互動，進行深入理解和思考，提升學習效果。隨著技術的不斷進步和應用的推廣，虛擬演播室在高校視頻教學中將發揮越來越重要的作用。未來，虛擬演播室可能向教學資源共享、大數據分析等方面發展，為高校提供更加全面和個性化的教學服務。對虛擬演播室關鍵技術和發展趨勢的研究，可以為高校視頻教學提供創新的思路和方法，促進學生的個性化學習。

1 虛擬演播室概述

虛擬演播室是當前高等教育領域的一項引人注目的創新技術[3]，基于虛擬現實、云計算、人工智能和5G 等先進技術，為高校教育提供了嶄新的教學和學習體驗[4]。虛擬演播室的核心概念是通過計算機生成的虛擬場景和多媒體元素來模擬真實的教學環境，從而使學生能夠沉浸其中，積極參與學習過程[5]。虛擬演播室具有互動性、實時性、多媒體豐富和時空彈性等特點。學生可以積極參與學習，隨時與教師和同學互動。教育內容包括視頻、音頻及圖像等多種多媒體元素，增強了學習的吸引力和多樣性。虛擬演播室的學習資源可以隨時隨地訪問，克服了地理和時間上的限制，提高了教育的可及性。虛擬演播室場景如圖1 所示。

圖1 虛擬演播室場景

2 基于虛擬演播室的高校視頻教學關鍵技術

在虛擬演播室拍攝時，場景上的角色和屏幕上的虛擬背景都被電視攝像機捕捉到，錄制的視頻由圖像協調網絡進行后處理，最終輸出視頻，系統框架如圖2 所示。虛擬演播室技術主要使用了虛擬場景設計技術、虛擬攝像頭跟蹤技術、虛擬摳像合成技術以及基于深度學習的圖像處理技術。

圖2 虛擬演播室系統框架

2.1 虛擬場景設計技術

虛擬場景設計技術是一種利用計算機圖形學和三維建模技術創建逼真虛擬教室、演播室等場景的技術，支持場景搭建和模塊調整，提供多樣素材和動畫效果，滿足不同的教學主題和風格需求。虛擬場景設計利用專業三維建模軟件，制作虛擬場景物體和元素，借助高效的3D 圖形渲染引擎，處理光照、陰影、紋理及反射等，提升虛擬場景的真實感和視覺效果，可模擬不同時間、天氣、季節條件和視角，通過動畫編輯器或編程語言，為虛擬場景元素添加動態效果。

2.2 虛擬攝像機跟蹤技術

虛擬攝像機跟蹤技術通過模擬虛擬攝像機的運動和視角，實現對教學內容的多角度捕捉和呈現，提高在線教育視頻的質量和吸引力。虛擬攝像機跟蹤技術的原理涉及計算機視覺和3D 圖形渲染領域的知識。這些攝像頭的輸出圖像被輸入計算機，通過圖像處理和計算機視覺算法來跟蹤實際物體的位置和運動，包括講師、學生或物品。一旦物體的位置和運動被跟蹤，虛擬攝像機可以根據這些信息生成虛擬相機的視角和運動路徑。這些虛擬攝像機的輸出可以與實際攝像頭的視頻流進行融合，從而創造出具有多個視角的虛擬演播室環境。

2.3 虛擬摳像合成技術

虛擬演播室的另一個關鍵技術是虛擬摳像合成技術。這項技術支持將講師或演示者從實際拍攝背景中提取出來，與虛擬背景或圖像合成，以創造出沉浸感強、高度個性化的教學環境。虛擬摳像合成技術基于圖像分割、遮擋檢測和圖像合成等計算機視覺和圖形處理技術。這個過程需要考慮光照、陰影及透明度等因素，以確保合成后的圖像看起來自然且逼真。在合成過程中還需要進行遮擋檢測，以確保演示者與虛擬元素之間的交互較為自然，不會出現不一致或沖突。

2.4 基于深度學習的圖像協調技術

隨著深度學習在計算機視覺和計算機圖形學中的成功，一些基于深度學習的圖像處理方法已經被開發出來。端到端深度卷積神經網絡可以在圖像協調過程中同時捕獲復合圖像的上下文信息和語義信息，將其加入基于多重高清屏幕的虛擬演播室系統，利用拍照技術拍攝來自現實世界的場景作為背景。該系統以全景視頻為背景，利用多個高清屏幕在演播室中重現場景。

3 虛擬演播室的現狀

信息技術的發展和教育改革的深入，促進了高校教學模式的創新和變化。在這一過程中，虛擬演播室技術作為一種新興的教學工具和平臺，逐漸被越來越多的高校采用，用于錄制和直播課程，以提高教學質量和效率。目前，國內外許多高校已經建設了虛擬演播室，并將其應用于精品課程、微課及慕課等的制作和直播。例如，上海交通大學電子信息與電氣工程學院建立了虛擬演播室教學平臺，利用虛擬演播室技術進行電子信息工程專業的教學和科研。該平臺由虛擬演播室系統、視頻編輯系統及視頻點播系統3 個部分組成，可以實現多種教學模式，如錄制教學視頻、直播網絡課堂、展示科研成果等，不僅提高了教學質量和效率，而且促進了教師和學生之間的互動和溝通。

虛擬演播室已經在高校教學中得到了廣泛的應用，但也存在一些問題和挑戰。一方面，虛擬演播室的建設成本較高，需要專業的設備和人員，不利于普及和推廣。例如，虛擬演播室的設備包括高清攝像機、跟蹤系統、摳像系統、合成系統及音頻系統等，這些設備的價格都不低，而且需要專業的安裝和維護。另一方面，虛擬演播室的使用效果受到技術水平和網絡環境的影響，需要不斷地優化和更新，以適應不斷變化的教學需求。

4 虛擬演播室的發展趨勢

4.1 虛擬演播室+人工智能的智能導播技術

人工智能技術可以使虛擬演播室的導播功能更加智能化，實現自動化、智能化的課程錄制，根據課程主題、教學目標及教學方法等信息，自動生成合適的虛擬場景和視頻特效，為教師和學生提供更加生動、有趣、互動的課程體驗。例如，如果課程主題是自然科學，人工智能技術可以根據教學內容，自動選擇相關的自然現象和物理模型如地震、火山、太陽系等作為虛擬背景和道具，讓教師和學生仿佛親臨現場。教師在講解某個重點時，語速加快、聲音提高、眼神注視，人工智能技術可以自動切換到近距離特寫鏡頭，突出教師的表情和語氣。

4.2 虛擬演播室+云計算的云端課程技術

云計算是一種通過網絡提供可按需使用的共享計算資源和服務的技術，能夠實現高效、靈活和可擴展的計算服務。云計算技術使得虛擬演播室的硬件設備和軟件系統可以部署在云端，為用戶提供統一的接入平臺和管理界面，實現隨時隨地的課程錄制。用戶無須購買昂貴的硬件設備和軟件系統，只需通過網絡連接到云端平臺，就可以使用虛擬演播室的各項功能。云計算技術還能夠根據用戶的需求，動態分配和調整計算資源和服務，以實現高性能、低成本和高可靠性的課程錄制。用戶可以根據課程的復雜度、時長及質量等要求，選擇合適的計算資源和服務如中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）、內存及帶寬等，以達到最佳的課程錄制效果。

5 結語

隨著不斷的創新和發展，智能導播、云端課程和移動課程等趨勢將進一步提高教育的靈活性和質量，使學習變得更加便捷和互動。虛擬演播室技術的發展必將繼續推動教育領域的創新，為學生和教育者提供更多的工具和資源，以適應不斷變化的學習環境。